指向科學(xué)思維培養(yǎng)的中考物理試題研究

摘 要：科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心，中考非常重視對科學(xué)思維素養(yǎng)的考查。文章通過對中考試題平面鏡成像中的動態(tài)問題的深度研究，探索培養(yǎng)科學(xué)思維的有效策略。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；中考；平面鏡成像；深度學(xué)習(xí)

1 引言

核心素養(yǎng)是課程育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）規(guī)定了物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。［1］其中科學(xué)思維是核心，是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同信息、觀點(diǎn)和結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑和批判，予以檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的品格與能力?？茖W(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。而中考對于義務(wù)教育階段學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)在平時教育教學(xué)中的落地，發(fā)揮著關(guān)鍵性的導(dǎo)向作用，并且中考非常重視對科學(xué)思維素養(yǎng)的考查，特別是在選拔功能方面。

對中考試題的研究可以很好地反思我們平時的教學(xué)，倒逼學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。下面通過一道中考試題的研究來看一看中考試題對科學(xué)思維素養(yǎng)的考查，探索培養(yǎng)科學(xué)思維的有效策略。

2 平面鏡成像中的動態(tài)、問題分析

2.1 原題呈現(xiàn)

（2020年蘇州中考第26題）用如圖1所示的裝置探究平面鏡成像特點(diǎn)。

（1）組裝器材時，要使玻璃板與水平桌面相互""" 。實(shí)驗(yàn)中選用兩只完全相同的棋子A、B，其目的是比較像與物""" 的關(guān)系。

（2）若在棋子A的像的位置上放一光屏，光屏上"" （填“能”或“不能”）呈現(xiàn)出像。

（3）若將玻璃板繞底邊向棋子B一側(cè)翻轉(zhuǎn)90°，則在此過程中，棋子A的像大小變化情況是""" 。棋子A頂端與其像之間的距離變化情況是""""""" 。

答案：（1）垂直 大小 （2）不能 （3）不變

先變大后變小

試題立足于《課程標(biāo)準(zhǔn)》，以實(shí)驗(yàn)探究平面鏡成像特點(diǎn)為載體，對學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面的核心素養(yǎng)都進(jìn)行了很好的考查。題中第（3）問的第二空考查了科學(xué)思維素養(yǎng)，是本題的難點(diǎn)所在，筆者從以下幾個方面進(jìn)行了深度研究與教學(xué)過程設(shè)計。

2.2 建構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)三維立體空間到平面的轉(zhuǎn)化

實(shí)驗(yàn)情境如圖1所示，當(dāng)玻璃板繞底邊向棋子B一側(cè)翻轉(zhuǎn)時，棋子的像不再在桌面上，平面鏡、棋子

及其像所在的平面、紙面是空間立體結(jié)構(gòu)，給問題的解決帶來很大麻煩。排除無關(guān)因素的干擾，可先將圖1轉(zhuǎn)

化為如圖2所示的平面圖像，根據(jù)平面鏡成像規(guī)律，可作出玻璃板翻轉(zhuǎn)前棋子A頂端的像A1。其中，O點(diǎn)代表了玻璃板的底邊，AOA1平面與玻璃板、紙面垂直。

2.3 一題多法，拓寬解決問題的思路

方法一：將玻璃板繞底邊向棋子B一側(cè)翻轉(zhuǎn)的過程中，由于棋子A頂端與其像之間的距離是棋子A頂端到平面鏡的距離的兩倍，可以通過棋子A頂端到平面鏡的距離來分析棋子A頂端與其像之間的距離的情況。如圖3所示，①②③分別是玻璃板繞底邊上O點(diǎn)向棋子B一側(cè)翻轉(zhuǎn)過程中的三個位置的情況，此過程中AO連線的長度不發(fā)生變化，結(jié)合直角三角形知識，可以得出當(dāng)玻璃板轉(zhuǎn)至與AO連線垂直時，棋子A頂端到平面鏡的距離最遠(yuǎn)。通過比較線段的長短可以更加直觀、清晰、準(zhǔn)確地反映出動態(tài)變化情況，一般在實(shí)際分析中，通常我們會畫出更多的位置，尋找規(guī)律和臨界條件。

方法二：在方法一中，除特殊位置②外，當(dāng)玻璃板翻轉(zhuǎn)至任一位置時，都可以構(gòu)造出一個以AO為斜邊的直角三角形，在翻轉(zhuǎn)過程中棋子A頂端到平面鏡的垂線段與AO的夾角先減小后增大，根據(jù)余弦函數(shù)的單調(diào)性可知，垂線段的長度先增大后減小，當(dāng)玻璃板轉(zhuǎn)至與AO連線垂直時，垂線段最長。

方法三：在圖2所示的平面圖景中，結(jié)合數(shù)學(xué)知識可知，A1、A到平面鏡底端O的距離相等，如圖4所示。而且在平面鏡繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動的過程中像到O點(diǎn)的距離始終等于AO的長度，保持不變。如果以O(shè)為圓心、OA長為半徑畫圓，那么平面鏡在繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動過程中，A頂端的像始終在該圓上，如圖5所示。像與物的連線AA1、AA2、AA3即為圓的弦，當(dāng)弦的長度恰好是圓的直徑時，棋子A頂點(diǎn)與其像之間的距離最大。通過過圓上A點(diǎn)的弦的長度變化，結(jié)合平面鏡轉(zhuǎn)動的范圍可知，棋子A頂端與其像之間的距離變化情況是先變大后變小。

2.4 一題多變、多題一解，把握問題的本質(zhì)

2.4.1 變式1

如圖6所示，若將玻璃板以CD邊為轉(zhuǎn)動軸，向棋子B一側(cè)順時針方向旋轉(zhuǎn)90°，在此過程中，棋子A頂端與其像之間的距離變化情況是""""" 。

解析：當(dāng)玻璃板以CD邊為轉(zhuǎn)動軸，向棋子B一側(cè)順時針方向旋轉(zhuǎn)時，棋子的像在桌面上，棋子A頂端及其像所在的平面與紙面平行，設(shè)平面與CD邊相交于E點(diǎn)，可以畫出如圖7所示的玻璃板旋轉(zhuǎn)前的俯視圖。

結(jié)合以上中考題的分析，運(yùn)用不同方法可畫出玻璃板以CD邊為轉(zhuǎn)動軸，向棋子B一側(cè)順時針方向旋轉(zhuǎn)時俯視圖圖像，如圖8所示。結(jié)合玻璃板轉(zhuǎn)動的范圍可知，棋子A頂端與其像之間的距離變化情況是先變大后變小。

2.4.2 變式2

在變式1中，若可將棋子當(dāng)作點(diǎn)來處理，棋子A與玻璃板下邊緣的D點(diǎn)連線AD與鏡面的夾角為30°，如圖9所示。若將玻璃板以CD邊為轉(zhuǎn)動軸，向棋子B一側(cè)順時針方向旋轉(zhuǎn)30°，在此過程中，棋子A與其像之間的距離變化情況是""""" 。

解析：不考慮棋子大小時，將玻璃板以CD邊為轉(zhuǎn)動軸，向棋子B一側(cè)順時針方向旋轉(zhuǎn)，棋子及其像所在的平面在紙面內(nèi)，相關(guān)俯視圖的畫法與變式1相同，如圖10所示，此過程中棋子A與其像之間的距離一直在增大，未達(dá)到最大值。

2.4.3 變式3

在變式2中，若玻璃板以CD邊為轉(zhuǎn)動軸，向棋子B一側(cè)順時針方向旋轉(zhuǎn)過程中，棋子A與其像之間的距離一直變大，玻璃板旋轉(zhuǎn)的角度不超過""" 。

解析：結(jié)合圖10分析可知，玻璃板在旋轉(zhuǎn)過程中，棋子A與其像之間的距離先不斷增大，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為60°時距離最遠(yuǎn)，此后距離將不斷減小，故玻璃板旋轉(zhuǎn)的角度不超過60°。

3 結(jié)語

科學(xué)思維是人類比較系統(tǒng)地、有邏輯性地思考問題的一種高階的思維方式，需要刻意地訓(xùn)練、培養(yǎng)和強(qiáng)化。［2］中學(xué)階段特別是初中學(xué)生處于邏輯思維開始居主導(dǎo)地位的年齡階段，是培養(yǎng)科學(xué)思維的黃金時期，在教學(xué)實(shí)踐中要堅持開展深度學(xué)習(xí)，系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生活動的各個環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在生活化的情境中發(fā)現(xiàn)問題、親歷物理問題的解決過程、參與物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計過程、體驗(yàn)物理概念的形成過程、探尋物理規(guī)律的發(fā)展過程，促進(jìn)對知識的深度理解，把握知識的內(nèi)在聯(lián)系與本質(zhì)，提升解決問題的能力，發(fā)展科學(xué)思維，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。［3］

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：4-5.

［2］李春密，張霄.《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的變化分析［J］.物理教師，2022，43（6）：35-44.

［3］李春密.深度學(xué)習(xí)：走向核心素養(yǎng)（學(xué)科教學(xué)指南·初中物理）［M］.北京：教育科學(xué)出版社，2020：60-65.